רַדִיוֹאַקטִיבִיזו מילה שלא כל כך מובנת. שטוף הפחד ונראה מטבעו זר ומסוכן, טבעו של ריקבון רדיואקטיבי הוא דבר שכדאי ללמוד אם אתה סטודנט לפיזיקה או סתם הדיוט מעוניין.
המציאות היא שרדיואקטיביות בעצם מתארת תגובות גרעיניות שמובילות לשינוי במספר האטומי של יסוד ו / או לשחרור קרינת גמא. זה מסוכן בכמויות גדולות מכיוון שהקרינה המשתחררת "מייננת" (כלומר, יש לה מספיק אנרגיה כדי להפשיט אלקטרונים מאטומים) אבל זו תופעה פיזית מעניינת ובפועל, רוב האנשים לעולם לא יהיו סביב חומרים רדיואקטיביים מספיק כדי להיות בסיכון.
גרעינים יכולים להשיג מצב אנרגיה נמוך יותר על ידי היתוך - וזה כאשר שני גרעינים מתמזגים יחד כדי ליצור כבד יותר גרעין, משחרר אנרגיה בתהליך - או על ידי ביקוע, שהוא פיצול של אלמנטים כבדים למצית יחידות. ביקוע הוא מקור האנרגיה בכורים גרעיניים, וגם בנשק גרעיני, ובמיוחד זה מה שרוב האנשים מתארים כאשר הם חושבים על רדיואקטיביות. אך לרוב, כאשר הגרעינים משתנים למצב אנרגיה נמוך יותר בטבע, זה נובע מריקבון רדיואקטיבי.
ישנם שלושה סוגים של ריקבון רדיואקטיבי: ריקבון אלפא, ריקבון בטא וריקבון גמא, אם כי ריקבון בטא כשלעצמו מגיע בשלושה סוגים שונים. למידה על צורות אלה של ריקבון גרעיני היא חלק מכריע בכל קורס בפיזיקה גרעינית.
אלפא דעיכה
ריקבון אלפא מתרחש כאשר גרעין פולט מה שמכונה "חלקיק אלפא" (חלקיק α). חלקיק אלפא הוא שילוב של שני פרוטונים ושני נויטרונים, שאם אתה מכיר את הטבלה המחזורית שלך תזהה כגרעין הליום.
קל להבין את התהליך מבחינת המסה והתכונות של האטום שנוצר: הוא מאבד ארבעה מ מספר המסה שלו (שניים מהפרוטונים ושניים מהאלקטרונים) ושניים מהמספר האטומי שלו (משני הפרוטונים אָבֵד). משמעות הדבר היא שהאטום המקורי (כלומר, גרעין "האב") הופך לאלמנט אחר (מבוסס על גרעין "הבת") לאחר שעבר ריקבון אלפא.
בעת חישוב האנרגיה המשתחררת בריקבון אלפא, עליכם לחסר את מסת גרעין הליום ו- אטום הבת ממסת אטום האב, ולהמיר אותו לערך של אנרגיה באמצעות המפורסם של איינשטיין משוואהה = מק2. בדרך כלל קל יותר לבצע חישוב זה אם אתה עובד ביחידות מסה אטומיות (אמו) ומכפיל את המסה החסרה בגורםג2 = 931.494 MeV / אמו. זה מחזיר ערך של אנרגיה ב- MeV (כלומר מגה אלקטרונים), כאשר מתח אלקטרונים שווה ל- 1.602 × 10−9 ג'אול ובדרך כלל יחידה נוחה יותר לעבודה באנרגיות בקנה מידה אטומי.
ריקבון בטא: ריקבון בטא פלוס (פליטת פוזיטרון)
מכיוון שרקבון בטא כולל שלושה זנים שונים, כדאי ללמוד על כל אחד בתורו, אם כי יש הרבה קווי דמיון ביניהם. ריקבון בטא פלוס הוא כאשר פרוטון הופך לנויטרון, עם שחרור של חלקיק בטא פלוס (כלומר, חלקיק β +) יחד עם חלקיק נטול נטול מסה הנקרא ניטרינו. כתוצאה מתהליך זה, לאטום הבת יהיה פרוטון אחד פחות וניוטרון אחד יותר מאטום האב, אך אותו מספר מסה כולל.
חלקיק בטא פלוס נקרא למעשה פוזיטרון, שהוא החלקיק האנטי-חומר המקביל לאלקטרון. יש לו מטען חיובי באותו גודל כמו המטען השלילי באלקטרון, ומסה זהה לאלקטרון. הנייטרינו המשתחרר נקרא טכנית נייטרינו אלקטרונים. שימו לב כי חלקיק אחד של חומר רגיל וחלקיק אחד של חומר אנטי-חומר משתחררים בתהליך זה.
חישוב האנרגיה המשתחררת בתהליך ריקבון זה מעט מסובך יותר מאשר לצורות אחרות של ריקבון, מכיוון שמסת האטום האב תכלול את המסה של אלקטרון אחד יותר מזה של אטום הבת מסה. נוסף על כך, עליכם לחסר גם את מסת החלקיק β + הנפלט בתהליך. בעיקרו של דבר, עליך להפחית את המסה של חלקיק הבתשתייםאלקטרונים ממסת חלקיק האב, ואז ממירים לאנרגיה כמו קודם. הנייטרינו כל כך זעיר שאפשר להזניח אותו בבטחה.
ריקבון בטא: ריקבון בטא מינוס
ריקבון בטא מינוס הוא למעשה התהליך ההפוך של ריקבון בטא פלוס, שבו נויטרון הופך פרוטון, המשחרר חלקיק בטא מינוס (חלקיק β−) ואנטי-נוטרינו אלקטרוני ב תהליך. בגלל תהליך זה, לאטום הבת יהיה נויטרון אחד פחות ופרוטון אחד יותר מאטום האב.
החלקיק β− הוא למעשה אלקטרון, אך יש לו שם אחר בהקשר זה מכיוון שכאשר התגלתה לראשונה פליטת הבטא לריקבון, איש לא ידע מהו החלקיק בפועל. בנוסף, קריאה לחלקיקי בטא שימושית מכיוון שהיא מזכירה לך שזה מגיע מתהליך ריקבון בטא, וזה יכול להיות שימושי כשאתה מנסה לזכור מה קורה בכל אחד - חלקיק הבטא החיובי משתחרר בריקבון בטא פלוס וחלקיק הבטא השלילי משתחרר בבטא מינוס ריקבון. אולם במקרה זה, הנייטרינו הוא חלקיק נגד חומר, אך שוב משתחררים אנטי חומר וחלקיק חומר קבוע אחד בתהליך.
חישוב האנרגיה המשתחררת בסוג זה של ריקבון בטא הוא מעט פשוט יותר מכיוון שהאלקטרון הנוסף שברשות אטום הבת מתבטל עם האלקטרון שאבד בפליטת הבטא. זה אומר שכדי לחשב ∆M, אתה פשוט מפחית את המסה של אטום הבת מזה של אטום האב ואז מכפיל במהירות האור בריבוע (ג2), כבעבר, לידי ביטוי במגה אלקטרונים וולט ליחידת מסה אטומית.
ריקבון בטא - לכידת אלקטרונים
הסוג האחרון של ריקבון בטא שונה לגמרי משני הראשונים. בלכידת אלקטרונים, פרוטון "קולט" אלקטרון והופך לנויטרון, עם שחרורו של נייטרינו אלקטרונים. לכן זה מצמצם את המספר האטומי (כלומר, מספר הפרוטונים) אחד ומגדיל את מספר הנויטרונים באחד.
זה אולי נראה כאילו זה מפר את הדפוס עד כה, כאשר חומר אחד וחלקיק אנטי-חומר נפלט, אך זה נותן רמז לסיבה האמיתית לאיזון זה. "מספר הלפטון" (שאתה יכול לחשוב עליו כמספר "משפחת אלקטרונים") נשמר, ואלקטרון או לנייטרינו האלקטרוני יש מספר לפטון 1, ואילו לפוזיטרון או האנטרינוטרינו האלקטרוני יש מספר לפטון של −1.
אתה אמור להיות מסוגל לראות שכל שאר התהליכים ממלאים זאת בקלות. לצורך לכידת אלקטרונים, מספר הלפטון פוחת ב -1 כאשר האלקטרון נלכד, אז כדי לאזן זאת, יש לפלט חלקיק עם מספר לפטון 1.
חישוב האנרגיה המשתחררת בלכידת האלקטרונים הוא די פשוט: מכיוון שהאלקטרון מגיע מאטום האם, אינך צריך לדאוג להתחשב בהפרש במספר האלקטרונים בין ההורה לבת אטומים. אתה מוצא ∆Mפשוט על ידי חיסור המסה של אטום הבת מזה של אטום האם. הביטוי לתהליך ייכתב בדרך כלל עם האלקטרון בצד שמאל, אך הכלל הפשוט מזכיר לך שזהו למעשה חלק מאטום האב מבחינת המסה.
גמא דעיכה
ריקבון גמא כרוך בפליטה של פוטון בעל אנרגיה גבוהה (קרינה אלקטרומגנטית), אך מספר הפרוטונים והניטרונים באטום אינו משתנה כתוצאה מהתהליך. זה מקביל לפליטת פוטון כאשר אלקטרון עובר ממצב אנרגיה גבוהה יותר למצב אנרגיה נמוך יותר, אך המעבר במקרה זה מתרחש בגרעין האטום.
בדיוק כמו במצב האנלוגי, המעבר ממצב אנרגיה גבוהה יותר למצב אנרגיה נמוך יותר מאוזן על ידי פליטת פוטון. אלה הן בעלות אנרגיות מעל 10 keV והן נקראות בדרך כלל קרני גמא, אם כי ההגדרה אינה ממש קפדנית (טווח האנרגיה חופף לקרני רנטגן, למשל).
פליטת אלפא או בטא יכולה להשאיר גרעין במצב נרגש בעל אנרגיה גבוהה יותר, והאנרגיה המשתחררת כתוצאה מתהליכים אלה נעשית בצורה של קרני גמא. עם זאת, הגרעין יכול להגיע גם למצב בעל אנרגיה גבוהה יותר לאחר התנגשות בגרעין אחר או שנפגע על ידי נויטרון. התוצאה בכל המקרים זהה: הגרעין צונח ממצבו הנרגש למצב אנרגיה נמוך יותר ומשחרר קרני גמא בתהליך.
דוגמאות לריקבון רדיואקטיבי - אורניום
אורניום -238 מתפורר לתוריום -234 עם שחרורו של חלקיק אלפא (כלומר גרעין הליום), וזו אחת הדוגמאות הידועות ביותר לריקבון רדיואקטיבי. ניתן לייצג את התהליך כ:
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {He}
על מנת לחשב כמה אנרגיה משתחררת בתהליך זה, תזדקק למסות האטומיות: 238U = 238.05079 אמו, 234Th = 234.04363 amu ו- 4הוא = 4.00260 אמו, כאשר כל המסות באות לידי ביטוי ביחידות מסה אטומיות. עכשיו כדי להבין כמה אנרגיה משתחררת בתהליך, כל מה שאתה צריך לעשות זה למצוא ∆Mעל ידי חיסור המוני התוצרים ממסת אטום האב המקורי, ואז חשב את כמות האנרגיה שזה מייצג.
\ begin {align} ∆m & = \ text {(מסה של האב)} - \ text {(מסת מוצרים)} \\ & = 238.05079 \ text {amu} - 234.04363 \ text {amu} - 4.00260 \ text {amu} \\ & = 0.00456 \ text {amu} \\ E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00456 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 4.25 \ text {MeV} \ end {align}
דוגמא לריקבון רב-שלבי ברקמה
ריקבון רדיואקטיבי קורה לעיתים קרובות בשרשראות, עם שלבים מרובים בין נקודת ההתחלה לנקודה הסופית. שרשראות ריקבון אלו ארוכות ודורשות צעדים רבים כדי לחשב כמה אנרגיה משתחררת בכל התהליך, אך נטילת חתיכה משרשרת אחת כזו ממחישה את הגישה.
אם מסתכלים על שרשרת הדעיכה של תוריום -232, קרוב לקצה השרשרת, גרעין לא יציב (כלומר אטום של איזוטופ לא יציב, עם מחצית חיים קצרה) של ביסמוט -212 עוברת ריקבון בטא-מינוס לפולוניום -212, ואז עוברת ריקבון אלפא לעופרת 208, יציבה אִיזוֹטוֹפּ. אתה יכול לחשב את האנרגיה המשתחררת בתהליך זה על ידי ביצוע שלב אחר שלב.
ראשית, ריקבון הבטא-מינוס מביסמוט -212 (M= 211.99129 אמו) לפולוניום -212 (M= 211.98887 amu) נותן:
\ begin {align} ∆m & = \ text {(מסת ההורה)} - \ text {(המסה של הבת)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {align}
כזכור שהשינוי במספרי האלקטרונים מבטל בריקבון בטא-מינוס. זה משחרר:
\ begin {align} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ end {align}
השלב הבא הוא ריקבון אלפא מפולוניום -212 לעופרת -208 (M= 207.97665 אמו) וגרעין הליום אחד.
\ begin {align} ∆m & = \ text {(מסה של האב)} - \ text {(מסת מוצרים)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0.00962 \ text {amu} \ end {align}
והאנרגיה היא:
\ begin {align} E & = =mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ end {align}
בסך הכל יש 2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21 MeV של אנרגיה המשתחררת בתהליך. כמובן, אם אתה נזהר (כולל חלקיק האלפא ואלקטרונים נוספים אם התהליך שלך כולל ריקבון בטא פלוס) אתה יכול לחשב את ההבדל במסה בשלב אחד ואז להמיר, אך גישה זו אומרת לך את האנרגיה המשתחררת בכל אחד מהם שלב.